高速鐵路隧道緩沖結構氣動載荷與結構應力特性分析1)

王英學高 波 任文強

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，成都610031)

高速鐵路隧道緩沖結構氣動載荷與結構應力特性分析1)

王英學2)高 波 任文強

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，成都610031)

高速列車通過隧道時，會引起車隧氣動效應.在隧道洞口設置緩沖結構是簡便有效的應對措施之一.而緩沖結構一般設置在隧道洞口，列車通過隧道產(chǎn)生氣動載荷對該結構的影響也不容忽視.本文采用數(shù)值方法，利用Ansys軟件的workbench模擬平臺，對列車通過隧道產(chǎn)生的氣動載荷作用在頂部單開口緩沖結構上的壓應力變化進行模擬.研究結果表明：氣動載荷所引起的結構附加應力作用明顯.當行車速度為350km/h時，附加應力可以達到80kPa，而緩沖結構開口周圍成為氣動載荷附加應力集中區(qū).對于雙線隧道，近車壁面與遠車壁面的附加壓應力規(guī)律一致，但近車側應力值要大于遠車側.與壓力波在隧道內(nèi)的傳播特性類似，氣動載荷所引起的附加壓應力具有往復傳播特征.另外，對頂部緩沖結構開口附近出現(xiàn)附加應力集中的原因進行了分析，確定緩沖結構形式是引起應力集中的決定因素.以上結論對隧道洞口緩沖結構的設計及安全巡查具有一定的指導意義.

高速列車，隧道，緩沖結構，氣動載荷，流固耦合

引言

隨著列車速度的提升，由高速所帶來的問題越來越明顯，其中安全問題尤為突出.當高速列車進入隧道時，其過程可近似描述成活塞運動.高速列車由三維的半無限空間進入隧道有限空間時，空間體積的突變使得高速列車擠壓空氣產(chǎn)生壓縮波和膨脹波，波在隧道內(nèi)往復傳播.隧道結構長期在應力波作用下，易發(fā)生疲勞破壞.為了緩解洞口微壓波的破壞作用，一方面洞口的緩沖結構會設置多個開口，使結構的強度有所降低;另一方面，因洞口結構形式多為明洞，故其受力狀態(tài)較之洞身更為不利.因此，洞口緩沖結構段氣動載荷特性是隧道結構的分析重點，有必要開展相關的研究.

針對隧道的氣動壓力峰值與隧道結構安全性，一些學者已經(jīng)進行了相關研究.

趙晶[1]和馮志鵬等[2]采用數(shù)值方法對單輛列車通過隧道及兩輛高速列車在隧道內(nèi)交會時，隧道內(nèi)流場情況進行了數(shù)值模擬，分析了隧道內(nèi)壓力波的變化規(guī)律以及隧道、列車車窗受力情況.

馬偉斌等[3]綜合現(xiàn)場測試、數(shù)值計算和模型試驗結果，對高速鐵路隧道氣動效應的研究進展狀況進行了探討，分析了動車組通過隧道及交會條件下車體、隧道內(nèi)的壓力波動及洞口微壓波隨速度的變化規(guī)律.

馬云東等[4]和范斌[5]從混凝土細觀力學的角度出發(fā)，對高速列車運行條件下隧道襯砌拱頂混凝土的力學特性進行了模擬，獲得了不同時刻的應力狀態(tài),為隧道的耐久性分析提供了重要參考.

關于車隧氣動效應的治理及隧道緩沖結構的設計問題，已有大量的研究和許多成果[6-9].楊國偉等[10]對高速列車的隧道、車輛、軌道等關鍵力學問題進行了歸納分析，總結了我國在高速鐵路領域取得的成果.

從上面的調(diào)研分析可以看出，隧道結構氣動載荷問題已經(jīng)引起了廣大學者的重視，但是對于隧道結構洞口段，特別是對緩沖結構氣動載荷特性的研究還相對較少，本文將針對緩沖結構的氣動特性進行分析，確定緩沖結構的薄弱部位，以便為工程設計提供指導.

1 分析理論和計算方法

車隧氣動耦合分析涉及對列車進入隧道時的流場分析和壓緩沖結構上的應力場分析.結構分析主要包括結構自重應力場的計算以及結構在氣動壓力作用下的結構動應力場分析.氣動壓力的分析和計算是關鍵，下面對分析理論和計算方法做簡要介紹.

1.1 流場分析理論與計算模型

在進行流場分析時，主要通過求解Navier-Stokes方程得到流場特性，其中湍流模式的選取是一項重要因素.不同學者在車隧氣動分析中，所選取的湍流模型和方法略有差別，比較常用的有k-ε模型[11]及大渦模擬(large eddy simulation,LES)方法[12]等.為了模擬湍流運動，一方面要求計算區(qū)域的尺度應大到足以包含湍流運動中出現(xiàn)的最大渦，另一方面要求計算網(wǎng)格的尺度小到足以分辨最小渦的運動.然而，就目前的計算機能力而言，能夠采用的計算網(wǎng)格的最小尺度仍比最小渦的尺度大許多.LSE就是放棄對全尺度范圍上渦的運動模擬，只將比網(wǎng)格尺度大的紊流運動通過Navier-Stokes方程直接計算出來，這樣在保證計算精度的同時，使計算工作量大大降低.從目前的應用情況來看，該方法的優(yōu)勢是顯著的.但由于其計算的渦尺寸與模型網(wǎng)格是相關的，因此為了保證精度，對網(wǎng)格尺寸的要求較高.本文將采用LES方法進行計算，在保證整體網(wǎng)格尺度滿足計算需要的同時，對壓力梯度變化較大的關鍵部位進行網(wǎng)格加密處理.

1.2 列車進出隧道過程的網(wǎng)格劃分

高速列車通過隧道時，邊界條件是不斷變化的.文中采用Fluent軟件進行流場計算，該軟件提供了兩種網(wǎng)格技術能很好地模擬列車與隧道的相對運動，即滑移網(wǎng)格技術和動網(wǎng)格技術[13].

滑移網(wǎng)格模型允許相鄰網(wǎng)格間發(fā)生相對運動，而且網(wǎng)格界面上的節(jié)點無需對齊，即網(wǎng)格交界面是非正則的.在使用滑移網(wǎng)格模型時，計算網(wǎng)格界面上的通量需要考慮相鄰網(wǎng)格間的相對運動，以及由運動形成的重疊區(qū)域的變化過程.

動網(wǎng)格模型可以用來模擬流場形狀由于邊界運動而隨時間發(fā)生的改變.邊界的運動形式可以是預先定義的運動，即可以在計算前指定其速度或角速度；也可以是預先未做定義的運動，即邊界的運動由前一步的計算結果決定.

滑移網(wǎng)格法不涉及網(wǎng)格的重新劃分，而動網(wǎng)格法需要根據(jù)計算步的推進，重新劃分網(wǎng)格，因此，相對而言，滑動網(wǎng)格的計算速度要快得多.但因為滑動網(wǎng)格是通過區(qū)域網(wǎng)格界面?zhèn)鬟f計算參數(shù)的，所以在網(wǎng)格交界面處的計算結果有一定差異.

為充分利用這兩種方法的優(yōu)點，在網(wǎng)格劃分上將中間包含列車的區(qū)域定義為動網(wǎng)格區(qū)，而把包含隧道和出入口的空氣區(qū)域定義為滑移網(wǎng)格區(qū)域.

1.3 車隧氣動耦合分析方法

流固耦合力學是流體力學與固體力學交叉而生成的一門力學分支.邢景棠等[14]認為流固耦合問題按其耦合機理可分為兩大類.第一大類問題的特征是兩相域部分或全部重疊在一起,難以明顯地區(qū)分.第二大類問題的特征是耦合作用僅僅發(fā)生在兩相交界面上.車隧氣動--結構耦合就屬于第二類問題，對該問題可以采用如下三種方法進行加載分析.

1.3.1 靜力法

該方法常在地鐵及隧道的抗震設計中采用[15].即在抗震襯砌結構橫截面的設計中和穩(wěn)定性檢算中，采用地震系數(shù)或慣性力法.在氣動載荷結構分析時，也可借鑒此方法，即將車隧氣動流場分析中得到的緩沖結構在每個壁面的壓力峰值加到各個面上去，進行結構靜力計算.

1.3.2 擬動力方法

流固耦合分析方法還可以分為兩種：單向流固耦合分析和雙向流固耦合分析[16].本文研究單向耦合問題，即流場作用所引起的結構變形，對流場分析可以忽略不計，只考慮流場變化對結構的影響，而不必考慮結構變形對流場的影響.因此，可以通過流體動力計算，得到各個截面氣動壓力的波動數(shù)據(jù)，在結構計算中，將流場監(jiān)測得到的氣動壓力加載到結構上，得到結構的應力場變化規(guī)律.該方法將氣動與結構計算分開進行，在沒有多場耦合分析平臺時，也是可行的.

1.3.3 多場耦合平臺分析法

利用多場耦合分析平臺，將流體計算的壓力直接加載到結構上，進行結構流場耦合動力分析.該方法利用已有的耦合軟件或自編程序接口，實現(xiàn)流場分析和結構分析之間的數(shù)據(jù)傳遞.能夠進行該耦合計算的軟件平臺有Mpcci軟件、Ansys軟件等，許多學者通過上述軟件開展了相關的耦合分析[16-18]，都取得了良好的效果.本文將采用Ansys軟件的耦合分析平臺開展相關的分析.

2 隧道緩沖結構參數(shù)研究

2.1 基本參數(shù)擬定

車隧氣動載荷分析可分為兩個部分：列車進入隧道氣動載荷的計算及氣動載荷對結構影響的計算.

在流體計算中，選取隧道斷面為100m2，如圖1所示.列車采用CRH3列車，列車車頭網(wǎng)格如圖2所示.隧道長度取500m，車長100m，列車進入隧道前距隧道入口100m，計算區(qū)域總體長度1100m，計算模型尺寸如圖3所示.

對于頂部設置單一開口的緩沖結構，其結構形式簡單，施工比較方便.在合理的開口參數(shù)下，其壓力梯度降低率會取得較好的值.為此有必要對其開口參數(shù)進行研究.

圖1 隧道斷面圖1-隧道中線，2-線路中線，3-安全空間，4-救援通道，5-內(nèi)軌頂面Fig.1 Tunnel cross-section1-tunnel central line,2-rail trak centerline,3-safety space,4-rescue channel,5-the top of inner rail

圖2 列車模型網(wǎng)格圖Fig.2 Numeral model grid mesh of the train

圖3 計算模型尺寸布置示意圖(單位：m)Fig.3 Numeral simulation model dimension(unit：m)

為研究最優(yōu)開口率，需要保持開口寬度和開口距明洞入口距離不變，其速度為350km/h.

洞口緩沖結構選取頂部單開口緩沖結構，模型網(wǎng)格及結構尺寸如圖4和圖5所示.在結構計算平臺中的緩沖結構網(wǎng)格如圖6所示.

圖4 流場分析中的隧道緩沖結構網(wǎng)格Fig.4 Tunnel hood grid mesh of fluen model

圖5 隧道緩沖結構開口尺寸(單位：m)Fig.5 Tunnel hood opening dimension(unit：m)

圖6 隧道緩沖結構計算網(wǎng)格Fig.6 Tunnel hood grid mesh of structure model

在對緩沖結構進行氣動載荷分析時，結構厚度取0.5m，計算中的其他力學參數(shù)如表1所示.

表1 緩沖結構力學參數(shù)Table 1 Tunnel hood structure mechanics parameter

2.2 計算結果

采用靜力法、擬動力法對列車經(jīng)過隧道所產(chǎn)生的氣動載荷對結構的影響進行分析[19]，結果顯示：靜力法計算氣動載荷所引起的額外應力增加值為30kPa左右，而擬動力法計算氣動載荷所引起的額外應力增加值可以達到60kPa.下文將只針對耦合分析法引起的應力情況進行分析.

在列車進入隧道緩沖結構段時刻，不同計算平臺得到的車頭周圍壓力場和緩沖結構應力場分布如圖7所示.從圖中可以看到，隧道緩沖結構的拱頂部位在自重場作用下的應力較大，且結構的破壞易引發(fā)較嚴重的事故.另一方面隧道緩沖結構內(nèi)側所受到的影響必然強于外側.因此，對緩沖結構內(nèi)側拱頂中線各點的壓應力變化進行分析.

圖7 列車進入隧道引起的壓力場和緩沖結構應力場云圖(t=1.0s,單位：Pa)Fig.7 Pressure and stress contour graphics induced by train entering tunnel hood(t=1.0s,unit：Pa)

圖7 列車進入隧道引起的壓力場和緩沖結構應力場云圖(t=1.0s,單位：Pa)(續(xù))Fig.7 Pressure and stress contour graphics induced by train entering tunnel hood(t=1.0s,unit：Pa)(continued)

根據(jù)緩沖結構開口位置的設置(如圖5)，緩沖結構全長15m，0～4m區(qū)段為緩沖結構洞外到開口區(qū)段，定義為開口前區(qū)段；4～13m為開口區(qū)段；13～15m為開口至隧道區(qū)段，定義為開口后區(qū)段.關于拱頂中線的壓應力，僅對0～4m區(qū)段，13～15m區(qū)段進行分析.在隧道緩沖結構內(nèi)側拱頂中心線設置監(jiān)測點，計算得到各監(jiān)測點處的附加壓應力的時程曲線，如圖8所示.

圖8 緩沖結構拱頂中心線附加壓應力變化時程曲線Fig.8 Extra-pressure stress-time relative graphics on top zone of hood

在計算中選取雙線隧道(如圖1)，以隧道中心線為坐標原點，列車行進方向為z軸方向，則離列車較近的為-x側.為比較列車因離隧道緩沖結構壁面距離不同所引起的結構應力差異，對于距離地面高2.5m處壁面靠近列車一側(-x側)和遠離列車一側(+x側)分別選取測點，分析其壓應力變化.計算得到緩沖結構內(nèi)側邊壁沿行車方向的附加壓應力的時程曲線，如圖9所示.緩沖結構壁面壓應力峰值與距隧道緩沖結構洞口距離的相關曲線如圖10所示.

圖9 緩沖結構側壁壓應力變化時程曲線Fig.9 History curves of extra-pressure stress on the side zone of hood

圖10 緩沖結構壁面首個附加壓應力峰值與距洞口距離相關曲線Fig.10 The correlation curves between the firs peak of extra-pressure stress and the distance to hood entrance

2.3 結果分析

通過對列車進入隧道緩沖結構段氣動載荷與結構應力特征進行了分析,所得到的相關數(shù)據(jù)可以看出：

(1)采用耦合計算得到的氣動載荷附加壓應力值大于擬動力方法所得到的結果.

擬動力方法計算得到的氣動載荷附加應力值為60kPa，而采用耦合計算所得到的附加應力值達到80kPa.

(2)隧道緩沖結構拱頂開口部位屬于氣動載荷附加應力集中區(qū).

圖8顯示：通過隧道軸向分析，在緩沖結構拱頂中線處，由洞外到緩沖結構開口區(qū)段及由隧道內(nèi)部向緩沖結構開口位置區(qū)段，氣動載荷引起的附加壓應力都是逐漸增大的.圖10顯示：按隧道環(huán)向分析，在隧道洞口起點(x=0)，隧道拱頂及側部壓應力峰值比較接近，而在開口位置(x=4m，x=13m)處，拱頂出現(xiàn)高壓應力.

依據(jù)壓縮波的產(chǎn)生規(guī)律，在列車進入隧道的一定范圍內(nèi)，壓縮波峰值是逐漸增加的，這與圖8和圖10顯示的在緩沖結構開口位置出現(xiàn)的壓應力集中現(xiàn)象是不相符的.

本文認為：氣動載荷所引起的結構應力主要取決于結構形式.在開口位置結構薄弱，必然引起應力集中.另外，同樣在拱頂開口邊界，x=13m處的壓應力要大于x=4m處.從結構上分析：4m處前面有4m完整的隧道結構，而x=13m處后面只有2m的完整隧道結構.這是引起應力差異的內(nèi)在原因.

(3)氣動載荷在隧道壁面兩側所引起的附加應力規(guī)律一致，靠近列車一側壓應力略高.

圖9顯示：在靠近列車一側，列車通過所形成的首波附加壓應力及車尾經(jīng)過(t=2s)引起的壓應力絕對值均要大于遠離列車一側對應的附加壓應力值，且有多個波峰和波谷.對比圖9與圖8可知，兩者波峰和波谷的出現(xiàn)時刻基本上是一致的，但是拱頂處的波峰和波谷值更大.

(4)列車通過隧道在緩沖結構內(nèi)壁面所產(chǎn)生的氣動載荷是波動變化的，車頭經(jīng)過時為正壓力，車尾經(jīng)過時為負壓力.

結合壓縮波在隧道內(nèi)的傳播特性，計算結果表明氣動載荷所引起的附加壓應力也具有往復傳播的特性.

依據(jù)列車車速及波速計算，車尾在t=2s時刻附近到達隧道緩沖結構.列車進入隧道時產(chǎn)生壓縮波，到達隧道出口后轉換為膨脹波(負壓波)，在t=4s時刻附近再次傳播到緩沖結構位置(壓縮波傳播速度為340m/h，壓縮波傳播、反射回到緩沖結構區(qū)段往返行程為1000m).圖8中的壓應力時程曲線可體現(xiàn)這些規(guī)律.

3 結論

通過對列車經(jīng)過隧道緩沖結構段氣動載荷--結構應力特性分析，得出如下結論：

(1)采用耦合計算得到的氣動載荷附加應力值大于擬動力方法所得到的結果.在列車以時速350km/h通過時，所引起的附加應力值達到80kPa.

(2)在列車進入隧道時，隧道緩沖結構拱頂開口部位屬于氣動載荷附加應力集中區(qū)，引起應力集中的內(nèi)在原因是緩沖結構形式.

(3)氣動載荷在隧道壁面兩側所引起的附加應力規(guī)律一致，靠近列車一側壓應力略高.

(4)列車通過隧道在緩沖結構內(nèi)壁面所產(chǎn)生的氣動載荷是波動變化的，并且逐漸衰減，車頭經(jīng)過時為正壓力，車尾經(jīng)過時為負壓力.

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AERODYNAMIC LOAD AND STRUCTURE STRESS ANALYSIS ON HOOD OF HIGH-SPEED RAILWAY TUNNEL1)

Wang Yingxue2)Gao Bo Ren Wenqiang
(Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Ministry of Education，Southwest Jiaotong University，Chengdu610031，China)

When high speed train passes through tunnel,aerodynamic ef f ect will be induced.Setting hood at tunnel entrance is one of the convenient and ef f ective measures for controlling aerodynamic ef f ect.While the hood usually lay at tunnel entrance,in a long run,the aerodynamic load on the structure also should not be overlooked.In this paper,using Ansys-workbench simulation platform,the flui structure coupling character induced by aerodynamic load on single top opening hood was analyzed.The research results showed that the extra-pressure stress induced by aerodynamic load was notable.To the train of running speed 350km/h,the induced extra pressure stress on hood structure can reach 80kPa. On the tunnel hood,the region around the openings appeared a relative high extra pressure stress.Since the tunnel is used for double railway line,the variation law of extra pressure stress on the tunnel hood inertial side wall of close to and far from train is almost same,while the stress pressure on inertial side wall of close to train is a little larger than thaton the other side.Like the compression wave transportation in tunnel,the extra pressure stress induced by aerodynamic load also shows reciprocating transmission characteristics.The reason of stress concentration around the hood openings was deduced and showed that hood structure condition is the intrinsic fact for resulting in the detrimental ef f ect.These conclusions on aerodynamic load are advisable for tunnel hood design and safety checking.

high-speed train,tunnel,hood,aerodynamic load,flui structure coupling

U451.3

A doi：10.6052/0459-1879-16-343

2016-11-25收稿，2016-11-28錄用,2016-12-02網(wǎng)絡版發(fā)表.

1)國家“863”計劃資助項目(2011AA11A103-3-3-2).

2)王英學，教授，主要研究方向：隧道及地下工程.E-mail：wangyingxue@swjtu.edu.cn

王英學，高波，任文強.高速鐵路隧道緩沖結構氣動載荷與結構應力特性分析.力學學報,2017,49(1)：48-54

Wang Yingxue,Gao Bo,Ren Wenqiang.Aerodynamic load and structure stress analysis on hood of high-speed railway tunnel.Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics,2017,49(1)：48-54